基于虚拟落点策略的月球返回飞船再入制导方法

针对长航程大偏差状况下阿波罗再入制导算法的精度退化问题提出改进,采用数值预测-校正方法规划和调制线性参数化的倾侧角剖面,给出了一种在全航程包络内适用的月球返回飞船再入制导方法。引入虚拟落点策略,在一次再入段利用算法预测能力预测二次再入段初始侧向偏差并进行前馈补偿,给出了简便有效的虚拟落点瞄准程序。大偏差任务想定下的蒙特卡洛仿真分析表明,该算法在3000km到10000km的再入航程范围内,能够确保偏差小于3km的落点精度。     

基于高斯伪谱方法的再入飞行器预测校正制导方法研究

为了提高再入制导的适应性和鲁棒性,提出了一种最优预测校正制导方法.根据伪谱方法将再入动力学微分方程约束转换为代数方程约束,将制导问题转换为不需要积分弹道的最优规划问题,利用Gauss伪谱法收敛速度快、精度高的特点,设计了航路点间分段优化的伪谱自适应鲁棒再入制导律,对制导律的特性进行了分析.数值仿真表明,这种再入制导律对于再入点误差不敏感,具有良好的鲁棒性,仿真表明校正时间很短,具有应用于在线制导的潜力.     

再入弹道解析算法在新型制导律上的应用研究

提出了一种再入飞行器新型预测制导方法。在弹道始端,所有方向的总升力组成一个垂直于再入体速度的平面,称该平面上任意方向的速度增量引起预测落点的变化矢量为虚位移。通过对最优虚位移的搜索,获得总升力的最佳方向。然后,针对该制导方法需要预测弹道落点这一情况,给出了再入弹道的解析解。最后,将具有模型简化误差的解析弹道算法应用到该制导律中,仿真发现:经制导控制后最终落点误差从40公里减小到10米。结果表明:在解析法再入弹道存在模型简化误差的情况下,该制导律仍然可以执行。     

一种月球飞船动力下降预测制导方法的研究

研究了一种月球飞船动力下降段的预测制导方法。首先在轨道平面内建立了月球飞船飞行力学模型;然后基于开普勒轨道力学,由飞船当前飞行状态预测其落月位置和速度,以及相应的剩余飞行时间。设计了切向和法向解耦的闭环制导律。切向制导律根据预测的落点速度偏差和剩余飞行时间形成切向推力控制量来控制飞船速度大小,以消除落点速度偏差。法向制导律根据预测的落点位置偏差形成法向推力控制量,来改变飞船速度方向,以消除落点位置偏差。所设计的预测制导律,通过解析解预测落点状态,比传统的基于数值计算的预测方法在线计算量小,易于实现。数值仿真验证了该制导律的有效性。     

机动再入飞行器主动段再入点约束闭路制导研究

基于机动再入飞行器再入制导段控制条件荷刻和难度大，必须为飞行器创造最佳的再入条件。本文对具有再入点约束的主支段闭路制导律进行了研究。根据飞行器椭圆弹道的性质、飞行器再入条件、球面几何和不动点原理给出了理想弹道的计算算法。为使飞行器能在主动段很快地进入到理想弹道上，系统采用了非线性的推力向量控制及预测制导方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统的设计与仿真，表明该制导系统使飞行器全程飞行有很好的飞行性能。     

考虑阻力加速度的再入预测-校正制导算法

提出了一种基于阻力加速度的预测-校正制导方法,首先通过对阻力加速度走廊插值获取阻力加速度剖面模型,并基于该模型进行数值轨迹预测。然后根据两次预测结果近似求出阻力加速度与航程的关系,实时校正阻力加速度,消除航程偏差。同时对攻角进行调整,消除高度误差。横向制导通过校正倾侧角翻转时机实现。与传统的迭代预测校正制导算法相比,论文的制导算法同时校正纵向运动和横向运动,提升了飞行器的再入制导能力。每一次校正只需两次弹道预测,减少了制导的计算量。另外,采用插值的阻力加速度剖面对过程约束具有更强的处理能力。通过打靶仿真验证,论文的制导算法具有较高的制导精度和鲁棒性。     

考虑禁飞区规避的空天飞行器分段预测校正再入制导方法

针对空天飞行器再入制导问题，提出一种考虑禁飞区规避的分段预测校正制导方法。在再入段前期采用剩余航程作为目标函数，后期引入预测落点偏差作为目标函数进行制导指令求解，同时确定倾侧角幅值和符号，兼顾了计算效率与终端制导精度。在此基础上，对于再入过程中的禁飞区规避问题，把禁飞区分为两类，增加了通过倾侧角幅值修正策略实现侧向规避制导的逻辑，可适用于无法单独通过倾侧角反转规避禁飞区的情况。最后，通过开展考虑再入初始状态和气动品质不确定性的蒙特卡罗仿真，验证了提出的分段预测校正制导方法可以有效引导空天飞行器规避禁飞区，与单段目标函数预测校正方法相比，具有更高的制导精度。     

一种基于参数在线辨识的最优再入制导算法

为提高升力式飞行器再入飞行最优性及参数不确定条件下的制导精度,研究了一种基于参数在线辨识的最优高度-速度剖面跟踪制导算法。首先,采用分段三次多项式拟合飞行剖面,利用序列二次规划算法(SQP)优化获取最优分段点位置及飞行剖面系数,得到了一种满足总吸热量最小的高度-速度飞行剖面规划算法,并根据待飞航程与待飞航程预测值偏差确定是否进行重规划。其次,利用反馈线性化方法和航迹倾角偏差修正解算制导指令,并通过增广渐消记忆扩展卡尔曼滤波对不确定性参数在线辨识,利用辨识结果实现对制导指令的修正。最后,通过航迹偏角走廊控制倾侧角反号,实现侧向制导,完成跟踪制导算法设计。仿真结果表明,这种基于参数在线辨识的最优飞行剖面跟踪制导算法适应性强,计算速度快,具有较高的制导精度和一定的工程应用潜力。     

RLV末端能量管理段轨迹在线规划与制导

针对可重复使用飞行器（RLV）末端能量管理段利用数值优化算法在线规划轨迹的实时性无法保证,工程应用性差的问题,在末端能量管理段的航向调整段（HAC）轨迹前增加直线预测捕获段(PASL),并在该阶段提前完成末端区域能量管理(TAEM)段轨迹的在线规划,从而降低工程中对轨迹在线规划方法实时性的高要求。首先,通过求解零气动角下的质点运动方程解析解,得到直线预测捕获段结束点的飞行状态预测值作为TAEM段轨迹的初始点状态。然后,在线求解以航向调整段进入点飞行器航向角偏差最小为目标函数,以动压、过载和速度滚转角限制为约束的非线性规划问题,得到航向调整螺旋线中心的最优位置。最后,设计了以规划轨迹确定的标称气动角指令为前馈,以跟踪偏差的比例+微分律生成指令(PD)为反馈的TAEM段制导律。算例仿真校验了本文基于弹道预测的末端能量管理方法的有效性。     

探月返回器跳跃式再入过载抑制算法研究

针对小升阻比探月返回器大航程、跳跃式再入的特点,采用了新的过载约束条件,并在此基础上对过载抑制问题进行了描述。然后对跳跃式再入过程中影响开普勒段航程的因素进行了分析,将气动升力在地球矢径方向的分量等效为万有引力的小扰动力,推导得出了与预测校正制导律相结合的过载抑制算法。最后通过仿真校验了该算法在不影响返回器着陆精度的前提下有效实现了过载抑制,各种偏差情况下的蒙特卡洛仿真也体现了该算法的实用性及鲁棒性。     

深空着陆器随机优化制导律设计

针对导航估计误差对制导精度的不利影响,提出了一种随机优化制导设计方法。该方法将导航估计性能作为优化项引入制导设计过程中,通过对观测轨迹的优化设计,使视觉导航估计精度得到提高,进而改善了制导性能;同时,引入单步超前优化方法减少迭代运算量。将其应用于深空探测着陆任务,仿真结果表明与传统估计最优制导方法相比,该随机优化制导律有效降低了估计误差给制导系统带来的不利影响,使着陆器导航与制导系统整体性能得到改善提高。     

月球探测器动力下降段最优轨迹参数化方法

为保证月球探测器进入姿态调整段时具有充分的高度与速度余量,本文提出一种基于控制变量参数化的月球探测器动力下降段最优轨迹求解方法。在三维探测器软着陆动力学模型基础上,将月球探测器软着陆制导律设计等效为燃料最优约束下的探测器俯仰角控制问题,利用控制变量参数化(Control Variables Parameterization, CVP)方法将该控制问题中的控制变量与约束条件转化为非线性规划问题求解,并引入时间尺度变换,将着陆时间序列加入待规划参数,进而求得满足精度的最优数值解。蒙特卡罗仿真实验表明,与传统的显式制导律相比,本文提出的参数化制导方法在动力下降段燃料更省,动力下降段的起始高度在±20%范围内波动时,仍能以高精度速度和高度指标完成末制导。     

小天体软着陆自主光学导航与制导方法研究

针对小天体软着陆任务自主性、实时性的需求,对软着陆小天体自主导航与制导问题 进行了研究。提出了一种利用激光测距仪和光学导航相机跟踪目标着陆点的自主导航方案, 利用测距矢量以及目标点之间的几何关系,确定着陆平面法向方向和目标点位置。分析期望 的探测器下降轨迹特点,给出了一种基于制导变量的脉冲控制制导律,通过对目标点视线与 着陆平面法向矢量之间夹角的控制,将软着陆小天体控制分解为切向控制与法向控制两部分 。最后,通过数学仿真对自主导航制导系统的性能进行了验证,结果表明该方法能够满足垂 直软着陆的任务需要,实现高精度软着陆。     

航天器避障交会有限时间滑模控制

针对航天器安全交会过程中的避障问题,提出一种基于有限时间滑模变结构控制与人工势函数相结合的控制方法。首先,对斥力势进行修正使得势函数在期望状态的值为零。其次,基于速度偏差和引力梯度设计滑模面,并考虑障碍物的速度设计控制律。利用Lyapunov稳定性定理分析证明在存在外部干扰情况下,系统能够在有限时间内收敛到期望状态并保持渐近稳定。最后,利用数值仿真来验证所设计的控制律的正确性和有效性。仿真结果表明,该方法能够有效实现规避动态障碍物,满足安全交会的要求。     

月球最优软着陆两点边值问题的数值解法

对于月球软着陆,燃耗最优是制导过程的基本要求.文中首先应用极大值原理设计了最优着陆制导控制律,此时求解最优轨迹变成一个两点边值问题(TPBVP).本文利用一种基于初值猜测技术的打靶法求解这个两点边值问题,得到软着陆最优轨迹.结果表明该方法可有效改善迭代计算,具有一定的优越性.     

着陆小天体的自主GNC技术

由于目标小天体和地面站之间存在较长的通讯延迟，加之小天体的动力学环境复杂多变，传统的基于深空网的导航、制导与控制（GNC）模式已不再适合探测着器着陆小天体。为了实现安全着陆小天体，探测器必须具有自主导航、制导和控制的能力。本文提出了一种着陆小天体极区的自主GNC方案：首先，基于对自然特征点的自动提取、跟踪，给出了一种着陆小天体的自主光学导航方案；接着，为了安全垂直着陆小天体的极区，设计了比例-微分控制器跟踪理想的下降轨迹、消除侧向位置和速度偏差；最后，通过数值仿真对本文所提方案的可行性进行了验证。     

机动再入飞行器的复合制导方案研究

对机动再入飞行器弧段的复合制导方案进行了研究，首先提出了通过高低空复合制导控制再入飞行器的终端速度和弹道倾角的思路；然后分别给出了高空最优制导律和大气厚再入最优制导律；最后对此复合制导方案进行了数字仿真。仿真结果表明此方案在理论上是可行的。     

基于Riccati方程解的再入飞行器制导律设计

提出一种再入飞行器纵向制导律设计方法。首先对纵向运动方程沿着实际轨道线性化,然后利用线性最优调节器原理设计制导律。在每个制导周期内求解代数R iccati方程,利用其正定解构造反馈控制律,与标准轨道的控制量叠加后形成全量控制,用于实际再入轨道的制导。仿真结果表明,所设计的制导律对再入初始偏差具有较强的鲁棒性,同时它也能较好地补偿由于气动参数和大气密度摄动造成的航程误差,从而保证落点精度。